浅析正余弦旋转变压器的激磁补偿绕组

    许兴斗^1,2，成炜³

(1上海交通大学，上海200030；2中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233

    3空军驻802所军代室，上海200090)

  摘要：文章从理论上分析了正余弦旋转变压器激磁补偿绕组的工作原理；对激磁补偿绕组短接对输出相位移的影响进行理论分析和试验验证；给出了激磁补偿绕组断路的检测方法。

    关键词：旋转变压器；激碰补偿绕组；检测方法

    中图分类号：TM383．2  文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2008)12—0028—03

0引  言

    正余弦旋转变压器以其高可靠性、稳定性以及对湿度、温度、振动和冲击等环境的适应性主要应用于控制系统的角位置信息反馈、惯性导航系统的坐标分解器以及随动系统中传输与转角相应的电信号等。在精度要求不高的场合，激磁方一套正弦绕组即可满足使用要求。而在精度要求较高的控制系统中，则需要匝数、型式完全相同、空间位置上相差90^。的两套正弦绕组，其中一套作为激磁绕组，另一套则为激磁补偿绕组，也称为交轴绕组或正交绕组，利用激磁补偿绕组可以提高正余弦旋转变压器的电气精度。

1正余弦旋转变压器激磁补偿原理

1.l正余弦旋转变压器激磁补偿的工作原理

    正余弦旋转变压器在空载运行时，副方输出两相与转子转角呈严格正余弦关系的电信号。在实际使用中，正余弦旋转变压器总要接上一定的负载z_L,带载后，绕组中便有电流L流过，此电流所产生的交轴磁场分量F_r1q将产生交轴磁通，并在正、余弦输出绕组中产生感应电势，造成输出电压的畸变。因此在实际使用中，通常把激磁补偿绕组直接短路，由于交轴磁通分量和激磁补偿绕组的轴线方向一致，它将在激磁补偿绕组中感应电势，并产生电流。根据愣次定律，该电流所产生的磁通是反对交轴磁通变化的，因而对交轴磁通产生很强的去磁作用，使交轴磁通趋于零，从而解决由于负载电流产生的交轴磁场引起输出特性的畸变。

1．2正余弦旋转变压器激磁补偿的数学分析

  激磁补偿时的正余弦旋转变压器线路如图1所示。余弦输出绕组R₁、R₃开路，激磁绕组S₁S₃接至电源U_f，交轴绕组S₂S₄接有阻抗Z_q，正弦输出绕组R₂R₄接有负载阻抗Z_L各绕组电压、电流的正方向如图l所示。设转子正弦输出绕组R₂R₄的轴线和定子交轴之间的夹角θ为转子转角，按基尔霍夫第二定律可以分别写出各绕组的电压方程式：

式中：Z_σs、Z_σr——定、转子绕组的漏阻抗；

    X_m——定子绕组的主电抗；

    K_u——变比，为定、转子绕组的有效匝数比，是一个常数。

    由式(1)可解出激磁绕组的输入电流I_f,正弦输出绕组电流I_fl和交轴绕组电流I_q：

    为使正弦输出绕组的输出电压能随转子转角θ呈正弦函数变化，就需要正弦输出绕组电流I_rl也随转子转角θ呈正弦函数变化，为此，由式(2)可知，就必须使A式为一个与转子转角θ无关的常量。若激磁绕组外施电压恒定，即电压U_f不随输入电流I_f的改变而变化(这相当于电源的容量很大，电源的内阻抗可认为是零)，这时A式就必须满足：Z_q=O，即将交轴绕组两端直接短接，此时式(2)可表示为：

    由上面的分析可知，采用交轴绕组直接短接补偿时，输出电压U_rl将随转子转角θ呈正弦函数变化，且不受负载阻抗Z_L变动的影响，这是应用交轴绕组补偿的优点。但是由于输入电流If∝cos²θ，即If随转子转角θ的改变而变化，相应的输入功率和输入阻抗也都随着转子转角θ而改变。若把这种正余弦旋转变压器接至旋转变压器作为它的负载时，由于正余弦旋转变压器的输入阻抗是变量，致使旋转变压器的负载阻抗也为变量，这是交轴绕组补偿的缺点。

    若激磁绕组外施电源具有不能忽略的内阻抗z_i，则电压珥将随着电流If的改变而变化。由电路理论可知，此电源可用电势E和内阻抗Z_i串联的等效电路替代，相应式(2)中的珥以电势E代替，而激磁绕组的漏阻抗z。。因考虑到电源的内阻抗后，应以阻抗Z_i+Z_σs来代替。这一关系可将4式的右端第三项中的Z_σs用Z_i+Z_σs来表示。这时，为保持A是一个与转子转角θ无关的常量，则必须满足：Z_q=Z_i。

    通常，因单相交流电源的内阻抗Z_i很小，当正余弦旋转变压器工作时，为了减小输出电压的畸变，通常把交轴绕组即激磁补偿绕组两端直接短接运行，即可提高精度。

2激磁补偿绕组短接与输出相位移的变化

    激磁补偿绕组直接短接可以对负载输出畸变进行补偿。它的正交度好坏，不但直接影响到正余弦旋转变压器的精度，而且影响到输出的零位电压。正交度差(主要是由加工误差造成)的正余弦旋转变压器，正交绕组内会感应出较大的正交电势，短路后，产生的磁场除一部分用于抵消磁场的正交分量外，大部分将会在输出绕组中感应出较大的零位电压，它与基波同相分量正交90^。。并对正余弦旋转变压器的输出相位移造成影响，特别是在输出电压较低时影响****，其影响方式如图2所示。

    图2中：U₁为原边激磁电压，U₂为副边输出电压，θ₁为U₂对U₁的输出相移角，U₀为零位电压，它与U₂正交90。。从图中可以看出，当无U₀时，无论U₂的大小变化，相位角θ₁是不变的。但当有U₀时，U₂和U₀将合成输出电压U₁₂，从而使输出相移角由θ₁变为θ₂，且U₂输出越小，U₀对它的影响越大，这种影响可分为两种情况：一是U₀与U₂正向叠加如图2a所示，θ₂>θ₁，即相移角变大；二是U₀与U₂反向叠加如图2b所示，θ₂<θ₁，即相移角变小。

    为了验证上述分析情况，选择型号为28XZ023的正余弦旋转变压器进行试验验证，其激磁电压36V，频率400Hz，变比O.454，正交绕组短接与不短接时的输出电压、相位移和电气误差变化情况如表1所示。

    从上表中可以看出，激磁补偿绕组短接与不短接时输出电压基本没有变化，主要为零位电压(单位为mV)，相对输出电压很小，基本可以忽略。而相位移和电气误差均有明显的变化，尤其是电气误差较不短接时有了较大幅度的提高，这说明上述理论分析的正确性。而激磁补偿绕组短接时的相位移均不大于不短接时的相位移，由此亦可说明激磁补偿绕组短接对输出相位移的影响。同时还可看出，零位电压对低输出点相移影响较大，对****输出点(90^。)相移基本无影响。因此测试正余弦旋转变压器输出相位移时应在输出电压****点测试，不能在其它点测试，特别是不能在低输出点测试，否则会引的测试结果的不准确。

3激磁补偿绕组断路检定法  

  通常情况下正余弦旋转变压器在设计时激磁补偿绕组在内部进行直接短接，这种出线方式虽然有使用接线方便的特点，但存在一个较大的问题，即如果激磁补偿绕组内部断线，下线后根本无法知道，最后在测试时造成电气误差不合格。因此须有一种方便快捷的检测方法，以提高产品合格率。

    激磁补偿绕组断路按一般方法检测较为困难，一是它外部没有引出线，无法用电阻测量法测量；二是它和激磁绕组的磁轴正交90^。，没有磁的耦合，短路或开路，均不会影响激磁电流的大小，故也不能从激磁电流的变化上来进行判断。但如果采用反向激磁法，即把正余弦旋转变压器的一个输出绕组R₁R₃(或R₂R₄)作激磁，通以激磁电流，s₁s₃和s₂s₄作输出，问题便可很好地解决。根据变压器原理可知，变压器副边开路，原边激磁电流很小；副边一旦短路，因短路电流的去磁作用，原边激磁电流会变得很大。利用这个原理，便可用如下方法检查S₂S₄是否断路：用一个同型号的合格的正余弦旋转变压器转子，将待查定子套在转子卜，放在工装夹具中(主要是保证定转子同心)，R₁R₃(或R₂R₄)通以适当大小的激磁电流，即可进行检查。(1)将定子绕组S₁S₃开路，慢慢转动转子一周以上，若转子激磁电流小，且不变化，说明S₁S₃和S₂S₄两个绕组均断路(当然，S₁S₃可通过测量电阻便可判断是否断路)。若转子激磁电流变化大，且一周内有两个****点和两个最小点，说明S₁S₃和S₂S₄均正常。(2)将定子绕组S₁S₃短路，慢慢转动转子一周以上，若转子激磁电流大，且不变，说明S₁S₃和S₂S₄均正常。若转子激磁电流变化大，且一周内有两个****点和两个最小点，说明S₂S₄断路。为了便于理解，将上述现象列表，如表2所示。

    实际检测中，只须采用表中序号3的方法，将定子绕组S₁S₃短路，通电旋转转子一周以上，电流大且一周不变的，S₁S₃、S₂S₄均正常，电流变化的为不合格。

    采用上述方法，同样可以判断转子激磁、定子输出时的转子激磁补偿绕组是否断路。

4结语

    误差分析的目的在于减小误差、提高精度。而减小正余弦旋转变压器误差的最有效方法之一就是将激磁补偿绕组直接短接，其正确性及有效性可从大量的理论分析计算与实验数据中得到验证，试验数据表明该方法可大大提高产品精度。